徐州市主城區(qū)淺層地溫能開發(fā)適宜性分區(qū)研究

景佳俊， 王宏沛， 管禎， 單雨陽

(江蘇省地質礦產局第五地質大隊，徐州 221004)

0 引言

淺層地溫能資源是指儲集在地表200 m以內的巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的熱能[1-3]。該資源的儲集、運移、傳導、開發(fā)利用都受到區(qū)域地質、水文地質及巖土體熱物理性質的制約，不同區(qū)域的資源規(guī)模和利用方式存在較大差異。徐州市作為蘇北工業(yè)重鎮(zhèn)，能耗需求巨大，但淺層地熱資源尚未得到正規(guī)的開發(fā)和利用，且未進行過區(qū)域性淺層地溫能調查工作。目前多為小型開發(fā)公司無序開發(fā)，可能引發(fā)一系列地質環(huán)境問題。為推動徐州市淺層地溫能的開發(fā)利用并為其勘查、規(guī)劃提供可靠依據(jù)，對徐州主城區(qū)淺層地溫能進行了調查與評價。徐州市在2014年開展了城市地質調查工作，賈汪區(qū)政府辦公樓和植物園等典型淺層地溫能開發(fā)利用工程為本次工作提供了基礎研究資料。

淺層地溫能開發(fā)適宜性分區(qū)，是在系統(tǒng)方式選擇和資源評價方法的基礎上，全面分析淺層地溫能賦存規(guī)律、開發(fā)利用工藝過程及開發(fā)利用系統(tǒng)可行性條件和經濟效能后，對工作區(qū)進行的適宜程度劃分。目前國內的淺層地溫能開發(fā)利用研究，主要采用層次分析法、模糊判別法、灰色綜合評價法等進行適宜性分區(qū)[4-12]。綜合評價指標主要為地質、水文地質條件，巖土熱物理性質,溫度場特征，以及施工條件等。主要制約淺層地溫能開發(fā)的因素為巖土體熱物性及鉆探成本。熱物性試驗表明，徐州地區(qū)不存在巖土體熱物性的不適宜區(qū)。本次主要選取鉆探成本進行適宜性分區(qū)，旨在為徐州城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用方式、規(guī)劃及政府管理提供可靠依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

徐州市位于江蘇省北部，主城區(qū)面積644 km2，年平均氣溫14 ℃，一月平均氣溫-0.7 ℃，七月平均氣溫27 ℃，供熱與供暖天數(shù)均為90 d，為淺層地溫能開發(fā)提供了較好的條件。徐州市地處黃泛平原，位于魯南山區(qū)南緣，屬華北平原的一部分?？傮w地形特征西北和東南為平原區(qū)，中東和西南為低山丘陵及山前、山間平原區(qū)。平原區(qū)廢黃河故道地勢稍高，高程35.70～42.30 m，呈垅狀高地橫貫全區(qū)中部。黃泛沖積平原分布于廢黃河故道兩側，地勢低平，地面標高26.40～37.00 m，地勢總體微向東南傾斜。

徐州市主城區(qū)地層屬于華北地層區(qū)魯西分區(qū)徐州—宿縣地層小區(qū)的一部分，工作區(qū)大面積分布沉積巖，約占總面積的96%。其基巖出露面積為115.4 km2，約占主城區(qū)總面積的18%。徐州市主城區(qū)第四系分布較廣泛，但受基巖起伏面和古地理環(huán)境變化的影響，厚度變化較大： 臥牛山以西40～100 m； 潘塘—棠張一帶40～65 m； 其他地區(qū)10～40 m[13](圖1，圖2)。

圖1 徐州市主城區(qū)第四系厚度等值線及巖溶分布

1.震旦系城山組; 2.震旦系張渠組—九頂山組; 3.寒武系下段; 4.寒武系中段; 5.寒武系上段; 6.奧陶系中—下段; 7.石炭系中—上段; 8.二疊系; 9.侏羅系蒙陰組; 10.白堊系王氏組; 11.下更新統(tǒng); 12.中上更新統(tǒng); 13.全新統(tǒng); 14.青白口系； 15.黏土; 16.頁巖; 17.砂巖; 18.灰?guī)r; 19.白云巖

圖2徐州市主城區(qū)地質剖面示意圖

Fig.2GeologicalsectionofthemainurbanzoneinXuzhouCity

2 分區(qū)概述

目前開發(fā)利用淺層地溫能資源的主要方式為地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)。徐州主城區(qū)絕大多數(shù)處于第四系厚度小于100 m的區(qū)域，地層巖性以灰?guī)r為主，巖溶及隱伏巖溶區(qū)總面積達421.5 km2，地下水資源豐富，為徐州市供水水源。研究區(qū)屬地下水源保護區(qū)，因此不具備地下水源熱泵開發(fā)利用條件，僅適宜采用地埋管地源熱泵開發(fā)利用淺層地溫能。地埋管熱泵空調系統(tǒng)，應確保在鉆進技術條件和經濟成本允許的前提下，地下巖土層具備可持續(xù)循環(huán)換熱效力，且對地下溫度場不會產生明顯影響。

淺層地溫能適宜性分區(qū)應遵循如下原則： 以地質條件為基礎，水文地質條件為依托，熱泵應用技術做媒介，經濟與效益相結合，淺層地溫能資源開發(fā)利用與地質環(huán)境保護相結合，平面劃分與垂向控制相結合。

本次地埋管地源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)研究，總結了工作區(qū)不同區(qū)域的開發(fā)利用地質條件，為淺層地溫能勘查評價提供了前提條件，為具體工程勘察、設計提供了依據(jù)，為政府淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃、項目管理及審批提供了參考。

3 分區(qū)方法與結果

在無活動斷層條件下，現(xiàn)場觀測20 m和100 m兩層區(qū)域地溫場特征，發(fā)現(xiàn)本區(qū)域地溫場平緩，無明顯異常點。本次評價主城區(qū)淺層地溫能適宜性第四系厚度一般均小于100 m，限制淺層地溫能開發(fā)利用的主要因素為巖土熱物理性質和鉆探成本。

3.1 工作區(qū)巖土體熱物理性質

本項目在實施過程中采集了巖土樣品進行了物理性質與熱物理性質的分析測試，共取得熱物性測試成果321件，其中第四系黏土105件、粉土50件、砂頁巖45件、灰?guī)r121件(表1)，基本涵蓋了工作區(qū)100 m深度以淺的主要巖性類型。

表1 主要巖土體物性與熱物性特征值

工作區(qū)第四系松散沉積物比熱容室內測試結果為1.50～1.64 kJ/(kg·K)，導熱系數(shù)為1.71～1.87 W/(m·K)； 基巖比熱容室內測試結果為0.89～1.61 kJ/(kg·K)，導熱系數(shù)為1.34～2.81 W/(m·K)。

工作區(qū)范圍內完成了5組現(xiàn)場熱響應試驗，通過恒熱流法和恒溫法[14-15]，模擬夏季運行工況。研究區(qū)所有熱響應試驗孔均完成了至少50 h的大、小功率測試，且試驗后期均出現(xiàn)較為明顯的趨于水平的穩(wěn)定段。本次計算發(fā)現(xiàn)各熱響應試驗孔地埋管導熱系數(shù)一般在3.05～4.29 W/(m·K)左右，排熱工況(入口溫度/出口溫度)35 ℃/30 ℃下，單位孔深排熱量為42～54 W/m，符合《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》(GB 50366—2009)中應用地源熱泵的相關要求。因此就換熱效率而言，研究區(qū)不存在不適宜地埋管地源熱泵系統(tǒng)難以進行換熱工作的區(qū)域。

3.2 工作區(qū)鉆探成本分析

根據(jù)《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》(DZ/T 0225—2009)，地埋管適宜性分區(qū)主要采用第四系厚度、卵石層總厚度和含水層總厚度3項指標(表2)。

表2 (豎直)地埋管換熱適宜性分區(qū)指標及判斷標準

就徐州地區(qū)而言，卵石層總厚度均小于5 m，第四系厚度小于100 m，在徐州地區(qū)第四系厚度30～50 m區(qū)域均屬于黃泛沖積平原區(qū)，巖性以黏土、粉土和細砂為主，含水層厚度一般均大于10 m，在此條件下，工作區(qū)內基本均為較適宜區(qū)，不具備實際指導意義，故本次不局限于此規(guī)范分區(qū)。

對工程而言，淺層地溫能是否適宜開發(fā)主要體現(xiàn)在鉆井成本的差異和鉆孔回填能力兩方面。其中鉆井成本取決于第四系覆蓋層厚度、基巖厚度等地層巖性的優(yōu)劣程度。

根據(jù)《工程勘察設計收費標準》(2002年修訂本)，全部是松散地層的開挖成本要遠小于全部是巖石地層的開挖成本。另結合實際工程經驗，當100 m地層范圍內松散地層和巖石各占一定比例時，鉆井成本要高于全巖石地層的鉆井成本。按照實際工程經驗成本估算如表3(以φ130 mm鉆孔為例)。

據(jù)此，在收集研究區(qū)鉆井資料的基礎上，可以得到各個鉆孔及附近進行鉆井活動的投資成本(設定鉆進深度為100 m)，統(tǒng)計如表4。

表3 實際工程鉆孔費用估算方法

表4 各鉆井總收費情況一覽表

注： 本統(tǒng)計表為實際鉆探施工費用，與估算值存在一定差異。

3.3 分區(qū)方法

根據(jù)前文所述，徐州主城區(qū)巖土體熱物理性質均適宜淺層地溫能的開發(fā)應用，其余第四系厚度、卵石層厚度、含水層厚度、巖溶發(fā)育程度等均為制約鉆探成本的基本因素，根據(jù)表3、表4統(tǒng)計鉆探成本，將上述各單項評價因子綜入評價。

以普通辦公住宅為例，徐州地區(qū)空調總成本在500元/m2，供熱負荷是100 W/m2。工程中一般認為鉆孔成本高于總成本的30%時，屬于高成本。結合之前的熱響應測試結果，徐州城市規(guī)劃區(qū)地埋管冬季工況換熱功率的平均值為47 W/m。那么滿足每平方米的冬季負荷要求，需要2 m深鉆孔的換熱量提供。當鉆孔的成本為75元/m時，即100 m鉆孔總成本為7 500元時為高成本。我們定義鉆孔成本占總成本的15%～30%為較適宜區(qū)； 鉆孔成本小于總成本的15%時為適宜區(qū)； 鉆孔成本高于30%為不適宜區(qū)，具體見表5。

表5 地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)標準及類型

根據(jù)實施鉆孔情況，結合區(qū)域地質發(fā)育情況，篩選出在徐州地區(qū)可能出現(xiàn)的地層。淺層地溫能適宜性分區(qū)主要分為以下幾種情況。

適宜區(qū)： 松散層在80 m以上且不存在巖溶地層； 無巖溶地層。

較適宜區(qū)： 松散層厚度大于50 m，存在巖溶； 松散層厚度小于50 m，存在碳酸鹽巖，但巖溶不發(fā)育。

不適宜區(qū)： 第四系厚度小于50 m且?guī)r溶發(fā)育。

3.4 分區(qū)結果

研究得出了徐州城市規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)圖(圖3)。

徐州主城區(qū)地埋管換熱適宜區(qū)域面積為131.73 km2，主要分布在規(guī)劃區(qū)西北部及云龍區(qū)南部大面積區(qū)域。

較適宜區(qū)面積為277.47 km2，主要分布于鼓樓、泉山、銅山區(qū)一線以西,及賈汪區(qū)西南部。

不適宜區(qū)面積為234.94 km2，主要分布在鼓樓區(qū)北部,鼓樓、泉山、銅山區(qū)一線以東至云龍區(qū),呈長條狀分布，及銅山區(qū)東部和賈汪區(qū)南部。

本次評價適宜區(qū)范圍內，目前尚無大型居民區(qū)，僅徐州潘塘收費站有一處開發(fā)利用工程。淺層地溫能開發(fā)利用主要集中在較適宜區(qū)，如賈汪區(qū)目前已建成淺層地溫能裝機總容量10萬m2; 坐落在鼓樓區(qū)的徐州市植物園總面積40萬m2，目前淺層地溫能利用效果良好。整體而言，本次分區(qū)基本符合徐州主城區(qū)開發(fā)利用實際，具備較強的指導作用。

4 結論

(1)徐州市主城區(qū)位于徐州復式背斜及其兩翼，地勢起伏，第四系厚度變化加大，地下水以碳酸鹽巖巖溶裂隙水為主，淺層地溫能資源賦存條件較差，但潛力巨大。

(2)開發(fā)利用淺層地溫能應因地制宜選用合適的地源熱泵系統(tǒng)，結合徐州市主城區(qū)實際情況，不具備開發(fā)利用水源熱泵條件，僅能開發(fā)地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

(3)通過取樣試驗和現(xiàn)場熱響應試驗，單位孔深排熱量均滿足淺層地溫能開發(fā)利用條件，本次僅以鉆探成本高低進行了適宜性分區(qū)，使淺層地溫能開發(fā)應用更具操作性。